DE4324526A1 - Method and device for cleaning and decomposing a gas mixture - Google Patents
Method and device for cleaning and decomposing a gas mixtureInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung oder Zerle gung eines Einsatzgasstromes unter Verwendung einer aus min destens zwei zyklisch vertauschbaren Adsorbern bestehenden Druckwechseladsorptionsanlage, in die der Einsatzgasstrom zur Reinigung oder Zerlegung geführt und wobei nach der ein- oder mehrstufigen Entspannungsphase und vor der ein- oder mehrstufi gen Druckaufbau- bzw. Adsorptionsphase eine ein- oder mehrstu fige Spülphase folgt.The invention relates to a method for cleaning or milling supply gas flow using a min at least two cyclically interchangeable adsorbers Pressure swing adsorption system, in which the feed gas flow for Cleaning or disassembly performed and being after the one or multi-stage relaxation phase and before the single or multi-stage one or more stages during the pressure build-up or adsorption phase The rinsing phase follows.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Reinigung oder Zerlegung eines Einsatzgasstromes nach dem erfindungsge mäßen Verfahren, bestehend aus einer Membrantrenneinheit und mindestens zwei Adsorbern.The invention further relates to a device for cleaning or decomposition of a feed gas stream according to the Invention method, consisting of a membrane separation unit and at least two adsorbers.
Aus der Literatur ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Druckwechseladsorptionsverfahren und -vorrichtungen zur Reinigung oder Zerlegung von Gasgemischen bekannt. Diese Adsorptionsverfahren bestehen wenigstens aus einer ein- oder mehrstufigen Druckaufbau- bzw. Adsorptionsphase und einer ein- oder mehrstufigen Entspannungsphase. Bei Verfahren, deren Ziel sowohl eine hohe Produktausbeute als auch -reinheit ist, wird in der Regel zwischen die Entspannungs- und die Adsorptions eine Spülphase geschaltet. Auf diese Weise wird erreicht, daß ein entspannter Adsorber vor dem Wiederaufdrücken mit dem Ein satzgasstrom und gegebenenfalls weiteren Verfahrensströmen von noch im Adsorber vorhandenen Verunreinigungen befreit werden kann.There is a multitude of different ones from the literature Pressure swing adsorption processes and devices for Purification or decomposition of gas mixtures known. These Adsorption processes consist of at least one or multi-stage pressure build-up or adsorption phase and a single or multi-stage relaxation phase. In procedures whose goal is both a high product yield and purity usually between the relaxation and the adsorption switched a rinsing phase. In this way it is achieved that a relaxed adsorber before re-opening with the on gas stream and possibly further process streams from Any impurities still present in the adsorber are freed can.
Als ein möglicher Vertreter für diese Verfahrensweise sei das Europäische Patent 0 146 124 genannt. In ihm wird ein Druck wechsel-Adsorptionsverfahren zur Reinigung oder Zerlegung eines Gasstromes unter Verwendung von sechs im zyklischen Wechsel betriebenen Adsorbern beschrieben, bei dem im Anschluß an die Adsorptions-, mehrstufige Gleichstromentspannungs- und Gegen stromentspannungsphase auf den niedrigsten Verfahrensdruck eine Spülung mit Gleichstromentspannungsgas aus einem anderen Adsor ber erfolgt. Der Spülphase schließt sich ein mehrstufiges Auf drücken auf den Adsorptionsdruck mit Gleichstromentspannungsgas und gereinigtem bzw. zerlegtem Produktgas an.This is a possible representative of this procedure European Patent 0 146 124 called. There is a pressure in it change adsorption process for cleaning or disassembling a Gas flow using six in alternating cycles operated adsorbers described in which following the Adsorption, multi-stage direct current relaxation and counter current relaxation phase to the lowest process pressure one Purge with DC flash gas from another adsor done. The rinsing phase is followed by a multi-stage process press the adsorption pressure with direct current expansion gas and purified or disassembled product gas.
Im Falle der EP-PS 0 146 124 wird das als Spülgas verwendete Gleichstromentspannungsgas aus einem anderen Adsorber dem zu spülenden Adsorber direkt und ohne Zwischenspeicher zugeführt. Es sind jedoch auch Druckwechseladsorptionsverfahren bekannt, bei denen eine Zwischenspeicherung des Spülgases vorgesehen ist.In the case of EP-PS 0 146 124 that is used as the purge gas DC expansion gas from another adsorber flushing adsorber fed directly and without intermediate storage. However, pressure swing adsorption processes are also known, in which an intermediate storage of the purge gas is provided is.
Da der Desorptionsvorgang gegenüber den Druckausgleichen aufgrund der Desorptionskinetik verhältnismäßig lange dauert, steht der Spülgas-liefernde Adsorber, im Falle der direkten Zuleitung des Spülgases in den zu spülenden Adsorber, für eine verhältnismäßig lange Zeit nicht für andere Phasen, also Adsorption, Druckausgleich oder Druckaufbau, zur Verfügung. Bei einer Spülgaszwischenspeicherung wird dieser Nachteil zwar teilweise vermieden, jedoch sind nun ein zusätzlicher Spei cher-/Pufferbehälter sowie entsprechende Leitungen und Ventile erforderlich. Um diese Nachteile zu vermeiden, wäre auch eine Spülgasentnahme aus dem Produktstrom denkbar, doch würde dies die Ausbeute vermindern und unter der Vorgabe einer gleichblei benden Produktmenge eine Erhöhung der Produktionsleistung mit höheren Investitionskosten und höherem Energiebedarf erfordern.Because the desorption process compared to the pressure equalization takes a relatively long time due to the desorption kinetics, stands the purge gas supplying adsorber, in the case of the direct one Supply of the purge gas in the adsorber to be purged, for one not for a relatively long time for other phases, so Adsorption, pressure equalization or pressure build-up are available. At a flushing gas buffer storage does this disadvantage partially avoided, but are now an additional memory tank / buffer tank as well as corresponding lines and valves required. To avoid these disadvantages, one would be Purge gas extraction from the product stream is conceivable, but this would be reduce the yield and stipulate a constant amount of product increases the production output require higher investment costs and higher energy requirements.
Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfah ren zur Reinigung oder Zerlegung eines Gasgemisches anzugeben, bei dem die obigen Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden.The aim and object of the present invention is a method specify for cleaning or decomposing a gas mixture, in which the above disadvantages of the known methods are avoided become.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Einsatzgas für die ein- oder mehrstufige Spül- und/oder Druckaufbauphase ein im wesentlichen die Produktgaskomponenten enthaltender Permeatstrom aus einer Membrantrenneinheit verwendet wird.This is achieved according to the invention in that the feed gas for the single or multi-stage flushing and / or pressure build-up phase an essentially containing the product gas components Permeate stream from a membrane separation unit is used.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun möglich, auf die spülgasliefernde Gleichstromentspannungsphase zu ver zichten. Dadurch entfallen bei gleichbleibender Anzahl von Druckausgleichen die der Anzahl der spülgasliefernden Phasen entsprechende Anzahl von Adsorbern. Bei einer gleichbleibenden Anzahl von Adsorbern kann nun also mit zusätzlichen Druckaus gleichen gearbeitet und damit höhere Ausbeuten erzielt werden.By means of the method according to the invention, it is now possible to ver to the purge gas supplying DC relaxation phase to breed. This eliminates the number of Pressure equalization that the number of purge gas supply phases corresponding number of adsorbers. With a constant The number of adsorbers can now be increased with additional pressure worked the same and thus higher yields can be achieved.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Membrantrenneinheit ein Teil des Ein satzgasstromes zugeführt wird.An embodiment of the method according to the invention is thereby characterized in that the membrane separation unit is part of the A feed gas stream is supplied.
Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann Anwendung finden, wenn neben dem Einsatzgasstrom für die Druck wechseladsorption kein, den Anforderungen der Membrantrennein heit entsprechender Einsatzgasstrom zur Verfügung steht.This embodiment of the method according to the invention is then Find application when in addition to the feed gas flow for the pressure alternating adsorption no, the requirements of membrane separation appropriate feed gas flow is available.
Sinnvollerweise wird in einer weiteren Ausführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens der aus der Membrantrenneinheit ab strömende Eluatstrom dem Einsatzgasstrom vor der Druckwechsel adsorption beigemischt wird. In a further version of the inventions it makes sense process according to the invention from the membrane separation unit flowing eluate stream the feed gas stream before the pressure change adsorption is admixed.
Außerdem kann der aus der Membrantrenneinheit abströmende Elu atstrom zu anderen Zwecken, wie z. B. Druckaufbau etc., in das Druckwechseladsorptionsverfahren geleitet werden.In addition, the Elu flowing out of the membrane separation unit can atstrom for other purposes, such as B. pressure build-up, etc. in the Pressure swing adsorption processes are conducted.
Die Erfindung weiterbildend wird vorgeschlagen, den in der Druckwechseladsorption aus einer Gegenstromentspannungs- und/ oder aus einer Spülphase gewonnenen Restgasstrom zumindest teilweise der Membrantrenneinheit zuzuführen. Dies kann natür lich auch zusammen mit einem Teil des Einsatzgasstromes, wie bereits beschrieben, geschehen.The invention is proposed to further develop the Pressure swing adsorption from a countercurrent relaxation and / or at least a residual gas stream obtained from a purging phase partially fed to the membrane separation unit. This can be natural Lich together with part of the feed gas stream, such as already described, happen.
Unter Umständen kann es von Vorteil bzw. unumgänglich sein, den der Membrantrenneinheit zugeführten Restgasteilstrom zu ver dichten.Under certain circumstances it can be advantageous or inevitable that the the residual gas partial flow supplied to the membrane separation unit poetry.
Für den Fall, daß der aus der Membrantrenneinheit abströmende Eluatstrom nicht dem Einsatzgasstrom zugeführt wird, kann er dem Teilstrom des in der Druckwechseladsorption anfallenden Restgases, der nicht der Membrantrenneinheit zugeführt wird, beigemischt werden.In the event that the flowing out of the membrane separation unit Eluate stream is not supplied to the feed gas stream, he can the partial flow of the resulting in the pressure swing adsorption Residual gas that is not supplied to the membrane separation unit, be added.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Membrantrenneinheit austretende Permeatstrom vor seiner Verwendung als Spülgas in einem Speicher- bzw. Pufferbehälter zwischengespeichert wird.Another embodiment of the method according to the invention is characterized in that from the membrane separation unit escaping permeate stream before being used as a purge gas in a storage or buffer container is temporarily stored.
Eine letzte vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zeitgleich mit oder nach der Spülung eines Adsorbers mit dem aus der Membrantrenn einheit stammenden Spülgas, dieser Adsorber zusätzlich mit dem Entspannungsgas aus einem anderen Adsorber gespült wird.A last advantageous embodiment of the invention The method is characterized in that at the same time as or after flushing an adsorber with that from the membrane separator unit originating purge gas, this adsorber additionally with the Flash gas is purged from another adsorber.
Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, eine Vorrichtung zur Reinigung oder Zerlegung eines Gasgemisches anzugeben, bei der die obigen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. The aim and object of the present invention is also a Device for cleaning or decomposing a gas mixture specify the above disadvantages of the prior art be avoided.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Permeat strom-Seite der Membrantrenneinheit über eine Leitung mit den Auslaßenden der Adsorber verbunden ist.This is achieved according to the invention in that the permeate current side of the membrane separation unit via a line with the Outlet ends of the adsorber is connected.
Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 10 bis 14 beschrieben.Further configurations of the device according to the invention are described in subclaims 10 to 14.
Die Erfindung sowie weiterbildende Ausführungen davon seien anhand der Fig. 1 bis 7 erläutert. Hierbei besitzen iden tische Verfahrensschritte bzw. Vorrichtungsmerkmale gleiche Bezugszeichen.The invention and further developments thereof are explained with reference to FIGS. 1 to 7. Identical method steps or device features have the same reference numbers.
Fig. 1 zeigt den Grundgedanken der Erfindung. Die darge stellte Anlage zur Druckwechseladsorption weist vier zyklisch umschaltbare Adsorber A, B, C und D auf. Die Druckwechselad sorptionsverfahrensweise sei am Beispiel des Adsorbers A beschrieben. Die Anordnung der fünf Ventile V1 bis V5 ist für alle Adsorber identisch; auf die Bezeichnung der Ventile der Adsorbern B, C und D wurde daher der Übersichtlichkeit halber verzichtet. Fig. 1 shows the basic idea of the invention. The Darge shown system for pressure swing adsorption has four cyclically switchable adsorbers A, B, C and D. The pressure swing adsorption procedure is described using the example of adsorber A. The arrangement of the five valves V1 to V5 is identical for all adsorbers; the names of the valves of adsorbers B, C and D have been omitted for the sake of clarity.
Das zu zerlegende bzw. zu reinigende Einsatzgas gelangt über Leitung 1 und das geöffnete Ventil V1 in den Adsorber A. Im Adsorber A werden die leichter adsorbierbaren Komponenten fest gehalten, während nicht adsorbierte Bestandteile austreten und über das geöffnete Ventil V2 in die Produktgasleitung 2 abgege ben werden. Die Adsorptionsphase im Adsorber A wird solange fortgesetzt, bis der gewünschte Beladungszustand des Adsorbers A erreicht ist, wonach die Ventile V1 und V2 des Adsorbers A geschlossen und die Ventile V1 und V2 des Adsorbers C geöffnet werden, so daß die Adsorption unter kontinuierlicher Produktab gabe über Leitung 1 im Adsorber C fortgesetzt wird. Im Adsorber A wird nunmehr der Druck auf einen ersten Zwischendruck gesenkt (R1). Dies geschieht durch Druckausgleich mit dem Adsorber D über die geöffneten Ventile V4 der Adsorber A und D. Der Adsor ber D durchläuft während dieser Phase seine Druckausgleichs- Aufdrückphase R1. Nach erfolgtem Druckausgleich wird Ventil V4 geschlossen. Nun wird der Adsorber A durch Öffnen des Ventiles V3 im Gegenstrom zur Adsorptionsrichtung auf den niedrigsten Verfahrensdruck (D) entspannt, bevor das Spülen des Adsorbers A beginnt. Im Falle der vorliegenden Erfindung wird das Spülgas mittels der Membrantrenneinheit M gewonnen. Hierzu wird der Einsatzgasstrom für die Membrantrenneinheit M über Leitung 5 herangeführt und in der Membrantrenneinheit M in einen Eluat strom 6 und einen Permeatstrom 7, der den Spülgasstrom bildet, zerlegt. Die Wahl sowohl des Einsatzgasstromes für die Membran trenneinheit M als auch für die in der Membrantrenneinheit M verwendete Membrane wird sich an der Art der Reinigung bzw. Zerlegung, die in dem Druckwechseladsorptionsverfahren durchge führt wird, orientieren. Der Spülgasstrom 7 sollte im wesent lichen die Komponenten enthalten, die mittels des Druckwechsel adsorptionsverfahrens gewonnen werden sollen. Die Reinheit des Spülgasstromes muß jedoch nicht der Produktreinheit entspre chen, sondern lediglich den Anforderungen an ein Spülgas bei niedrigem Druck genügen.The feed gas to be disassembled or cleaned passes through line 1 and the open valve V1 into the adsorber A. In the adsorber A, the more easily adsorbable components are held firmly, while non-adsorbed components emerge and are released into the product gas line 2 via the open valve V2 become. The adsorption phase in the adsorber A is continued until the desired loading state of the adsorber A is reached, after which the valves V1 and V2 of the adsorber A are closed and the valves V1 and V2 of the adsorber C are opened, so that the adsorption with continuous product transfer Line 1 in adsorber C is continued. In adsorber A, the pressure is now reduced to a first intermediate pressure (R1). This is done by pressure equalization with the adsorber D via the opened valves V4 of the adsorbers A and D. The adsorber D runs through its pressure equalization press-on phase R1 during this phase. After pressure equalization, valve V4 is closed. Now the adsorber A is expanded to the lowest process pressure (D) by opening the valve V3 in counterflow to the direction of adsorption before the purging of the adsorber A begins. In the case of the present invention, the purge gas is obtained by means of the membrane separation unit M. For this purpose, the feed gas stream for the membrane separation unit M is introduced via line 5 and broken down in the membrane separation unit M into an eluate stream 6 and a permeate stream 7 , which forms the purge gas stream. The choice of both the feed gas flow for the membrane separation unit M and for the membrane used in the membrane separation unit M will be based on the type of cleaning or disassembly that is carried out in the pressure swing adsorption process. The purge gas stream 7 should contain the components which are to be obtained by means of the pressure swing adsorption process. However, the purity of the purge gas stream does not have to correspond to the product purity, but merely meet the requirements for a purge gas at low pressure.
Fig. 2 zeigt die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver fahrens laut Anspruch 2 und 3. Hierbei wird der Einsatzgasstrom in Leitung 1 durch das Regulierventil V6 so angedrosselt, daß ein Teilstrom des Einsatzgasstromes über Leitung 1a zur Mem brantrenneinheit M strömt. Der in der Membrantrenneinheit M anfallende Eluatstrom wird über Leitung 6 dem gedrosselten Einsatzgasgemisch in Leitung 1 zugeführt und das gebildete Gasgemisch über Leitung 1b den Adsorbern A bis D zugeleitet. Fig. 2 shows the embodiment of the inventive method according to claim 2 and 3. Here, the feed gas stream in line 1 is throttled by the regulating valve V6 so that a partial flow of the feed gas stream flows via line 1 a to the membrane separation unit M. The resulting in the membrane separation unit M eluate is fed via line 6 to the throttled feed gas mixture in line 1 and the gas mixture formed via line 1 b adsorbers A to D supplied.
Fig. 3 zeigt die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfah rens laut Anspruch 4. Während hierbei wiederum, wie bereits in Fig. 1 geschehen, der Einsatzgasstrom über Leitung 1 den Adsorbern A bis D zugeführt wird, wird der während der Desorp tionsphase anfallende Restgasstrom in Leitung 3 aufgeteilt. Mittels des Regulierventiles V7 wird die Gasmenge, die über Leitung 3a zur Membrantrenneinheit M und die Gasmenge, die über Leitung 3b aus der Anlage abgeführt wird, eingestellt. Falls erforderlich, wird der Teilstrom des Restgases, der mittels Leitung 3a der Membrantrenneinheit M zugeführt wird, verdichtet. Das in der Membrantrenneinheit M anfallende Spülgas wird über Leitung 7 zunächst einem Speicher- bzw. Pufferbehäl ter S zugeführt. Dieser dient zum Zwischenspeichern und/oder Glätten der Spülgasmenge. Bei Bedarf wird das Spülgas aus dem Zwischenspeicher S über Leitung 7a den Adsorbern A bis D zugeführt. Fig. 3 shows the execution of the inventive method according to claim 4. While again, as already done in Fig. 1, the feed gas stream is fed via line 1 to the adsorbers A to D, the residual gas stream occurring during the desorption phase in line 3 divided up. By means of the regulating valve V7, the amount of gas that is fed via line 3 a to the membrane separation unit M and the amount of gas that is discharged from the system via line 3 b is set. If necessary, the partial stream of the residual gas, which is a membrane separation unit M fed by means of line 3 is compressed. The purge gas obtained in the membrane separation unit M is first supplied via line 7 to a storage or buffer container S ter. This serves for the temporary storage and / or smoothing of the purge gas quantity. If necessary, the purge gas from the intermediate storage S is fed via line 7 a to the adsorbers A to D.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Spülgas für einen Adsorber nicht mehr wie üblich aus einem Gleichstromentspan nungstakt eines anderen Adsorbers stammt, können diese Takte, die im Schaltzyklus einen verhältnismäßig langen Zeitraum beanspruchen, entfallen. Somit können entweder zusätzliche Druckausgleichstakte, die zu höheren Ausbeuten führen, in das Adsorptionsverfahren aufgenommen werden oder es kann auf Adsorber verzichtet werden.Since in the method according to the invention the purge gas for one Adsorber no longer from a DC current removal as usual clock is from another adsorber, these clocks, which in the switching cycle a relatively long period of time claim, omitted. Thus, either additional Pressure equalization cycles that lead to higher yields in the Adsorption process can be included or it can Adsorber can be dispensed with.
Die Fig. 4 bis 7 zeigen Beispiele für Taktdiagramme, bei denen entweder auf einen Adsorber verzichtet wurde oder zusätz liche Druckausgleichstakte eingebaut wurden. Speziell die Fig. 4 und 5 zeigen Beispiele für Taktdiagramme, bei denen mit einer geringeren Adsorberzahl "gearbeitet" wird. Das Taktschema nach Fig. 4 entspricht im Prinzip der Arbeits weise einer herkömmlichen 4-Adsorberanlage und das Taktschema nach Fig. 5 einer 5-Adsorberanlage, bei denen jeweils ein Adsorber eingespart werden konnte. Die Fig. 6 und 7 zeigen Beispiele, bei denen zusätzliche Druckausgleichstakte durchgeführt werden. FIGS. 4 to 7 show examples of timing diagrams in which has been dispensed on either an adsorber or have been incorporated zusätz Liche pressure equalization measures. Specifically, FIGS. 4 and 5 show examples of timing diagrams, is where "worked" with a lower adsorbers. The timing diagram of FIG. 4 corresponds in principle to the working example of a conventional 4-adsorber system and the timing scheme of FIG. 5 is a 5-adsorber system, in each of which an adsorbent could be saved. FIGS. 6 and 7 show examples in which additional pressure equalization measures are performed.
In den Fig. 4 bis 7 werden folgende Bezeichnungen verwen
det:
A: Adsorption
E: Entspannung im Gleichstrom zum Druckausgleich
D: Entspannung im Gegenstrom zum Druckausgleich
P: Spülen mit Permeat
R: Druckaufbau mit Gleichstromentspannungsgas aus einem
"E-Takt"
RO: Druckaufbau auf Adsorptionsdruck mit Produktgas
Zudem ist jeweils eine Systembezeichnung angegeben, wobei die
erste Zahl die Anzahl der Adsorber, die zweite Zahl die Anzahl
der Adsorber, die sich gleichzeitig in Adsorption befinden, und
die dritte Zahl die Anzahl der Druckausgleichstakte angibt.The following designations are used in FIGS . 4 to 7:
A: Adsorption
E: Relaxation in direct current for pressure equalization
D: Relaxation in countercurrent to pressure equalization
P: Rinsing with permeate
R: pressure build-up with DC gas from an "E-cycle"
RO: pressure build-up to adsorption pressure with product gas
In addition, a system designation is given in each case, the first number indicating the number of adsorbers, the second number indicating the number of adsorbers which are simultaneously in adsorption, and the third number indicating the number of pressure compensation cycles.
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